DDR內(nèi)存接口的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘 要： 針對(duì)當(dāng)今電子系統(tǒng)對(duì)高速大容量內(nèi)存的需要，本文闡述了使用DDR控制器IP核來(lái)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)DDR內(nèi)存接口的方法。該方法能使設(shè)計(jì)盡可能簡(jiǎn)單，讓設(shè)計(jì)者更專注于關(guān)鍵邏輯設(shè)計(jì)，以便達(dá)到更高的性能。該設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)仿真顯示，完全符合要求。
關(guān)鍵字：DDR內(nèi)存 IP核 地址產(chǎn)生邏輯 FIFO

1.引言
在當(dāng)今的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中內(nèi)存被使用的越來(lái)越多，用來(lái)存放數(shù)據(jù)和程序。并且對(duì)內(nèi)存的要求越來(lái)越高，要求內(nèi)存讀寫速度盡可能的快，容量盡可能的大。面對(duì)這種趨勢(shì)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)大容量高速讀寫的內(nèi)存顯得尤為重要。

本文結(jié)合筆者承擔(dān)的T比特路由器項(xiàng)目,對(duì)其中的大容量高速DDR內(nèi)存接口的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了詳細(xì)闡述。本文第2節(jié)對(duì)與DDR內(nèi)存相關(guān)的知識(shí)做了簡(jiǎn)單的介紹，從總體上對(duì)DDR內(nèi)存有個(gè)認(rèn)識(shí)；第3節(jié)闡述了DDR內(nèi)存接口模塊的整體設(shè)計(jì)；第4節(jié)對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵設(shè)計(jì)地址產(chǎn)生邏輯進(jìn)行了詳細(xì)闡述；最后總結(jié)全文。

2.DDR內(nèi)存相關(guān)知識(shí)介紹
DDR SDRAM是雙數(shù)據(jù)率同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器的縮寫。它能夠在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)傳送兩次數(shù)據(jù)，也就是說(shuō)數(shù)據(jù)速率是時(shí)鐘頻率的兩倍，可以達(dá)到很高的數(shù)據(jù)讀寫速度。此外它通過(guò)對(duì)地址線的分時(shí)復(fù)用，可以做到很大的容量。比如我們?cè)O(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的DDR內(nèi)存時(shí)鐘頻率可達(dá)到150MHz，數(shù)據(jù)速率為300MHz，容量達(dá)到1M x 72bit。

DDR內(nèi)存為了更精確的同步使用若干對(duì)差分時(shí)鐘；它還有一個(gè)獨(dú)特的數(shù)據(jù)脈沖信號(hào)（DQS）。DDR內(nèi)存就是根據(jù)DQS來(lái)分割一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)的兩次數(shù)據(jù)。更需要注意的是：DDR內(nèi)存沒有一個(gè)信號(hào)是發(fā)送讀或?qū)懙拿鞔_命令的，而是通過(guò)芯片的可寫狀態(tài)來(lái)達(dá)到讀/寫的目的。具體為：片選信號(hào)（CS），行地址有效信號(hào)（RAS），列地址有效信號(hào)（CAS），寫允許信號(hào)（WE）。它們都是低電平有效，它們的不同組合構(gòu)成了對(duì)DDR內(nèi)存的不同命令。比如CS，CAS有效，RAS無(wú)效，WE無(wú)效，表示從現(xiàn)在地址線指示的存儲(chǔ)單元處讀出一個(gè)數(shù)據(jù)放到數(shù)據(jù)線上；再如CS，CAS有效，RAS無(wú)效，WE有效，表示將數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)寫入現(xiàn)在地址線指示的存儲(chǔ)單元處。

DDR內(nèi)存可以支持突發(fā)讀寫，并能根據(jù)不同的需要選擇不同的突發(fā)長(zhǎng)度（BL）；位寬也可以選擇，并能利用掩碼技術(shù)靈活的選擇每次讀寫的有效數(shù)據(jù)寬度（以8bit為單位）；此外由于DDR內(nèi)存讀寫時(shí)需要先激活（Active）將要讀寫的存儲(chǔ)單元行，然后再讀寫，但DDR內(nèi)存任何時(shí)候只能有一存儲(chǔ)行是打開的（處于激活態(tài)），因此在需要讀寫不同存儲(chǔ)行時(shí)，要先關(guān)閉前已打開的存儲(chǔ)行，才能打開現(xiàn)在將要讀寫的存儲(chǔ)單元行，這一操作被稱為預(yù)充電（precharge）。另外由于DDR內(nèi)存是動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器，需要對(duì)存儲(chǔ)體進(jìn)行周期性的刷新（refresh）。

從上面的介紹中可以看出DDR內(nèi)存的性能雖然好，但接口控制很復(fù)雜。為了快速實(shí)現(xiàn)DDR內(nèi)存接口，縮短設(shè)計(jì)周期，我們使用已經(jīng)成熟的商業(yè)化內(nèi)存控制器 IP 核對(duì)DDR內(nèi)存進(jìn)行控制。我們使用的是Altera公司的DDR Controller IP核，版本為2.2.0，使用的開發(fā)工具為Quartus II 4.1，使用VHDL語(yǔ)言進(jìn)行描述。

3.獨(dú)立內(nèi)存接口模塊整體設(shè)計(jì)
為了將內(nèi)存接口模塊設(shè)計(jì)成相對(duì)獨(dú)立的模塊，也為了調(diào)整不同模塊之間的時(shí)鐘相位差，使數(shù)據(jù)穩(wěn)定輸入輸出，我們給DDR內(nèi)存接口模塊前端增加了一個(gè)入口FIFO，出口增加了一個(gè)出口FIFO。我們的功能需求是根據(jù)出口FIFO的狀態(tài)確定是否將數(shù)據(jù)送往DDR內(nèi)存條中進(jìn)行緩存，并且設(shè)計(jì)中必須充分考慮DDR內(nèi)存條存儲(chǔ)器帶寬的利用效率，設(shè)計(jì)成批量讀寫的模式，減少讀寫切換工作的開銷。該內(nèi)存模塊具體完成以下功能：
1)使用DDR控制器IP核完成對(duì)DDR內(nèi)存的初始化配置，產(chǎn)生讀寫命令和其他各種控制信號(hào)；
2)根據(jù)出口FIFO狀態(tài)產(chǎn)生對(duì)DDR內(nèi)存接口的讀寫請(qǐng)求；
3)并且整個(gè)系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)的緩存處理應(yīng)該公平，不能有系統(tǒng)差別，也就是說(shuō)要保證在任何情況下讀出的數(shù)據(jù)都是有效的數(shù)據(jù)，寫入的數(shù)據(jù)不覆蓋DDR中的原有效數(shù)據(jù)；DDR內(nèi)存接口模塊主要功能由DDR控制器IP核完成，對(duì)DDR內(nèi)存進(jìn)行初始化配置，產(chǎn)生讀寫命令和其他各種控制信號(hào)。DDR控制器有兩個(gè)接口：DDR－interface和local－interface。DDR－interface直接與DDR內(nèi)存條相連，不需要干預(yù)。local－interface就是根據(jù)不同需要輸入不同信號(hào)，可以增加自己的邏輯。我們需要設(shè)計(jì)的邏輯就是產(chǎn)生讀寫請(qǐng)求信號(hào)和對(duì)應(yīng)的地址信息送給DDR控制器，DDR控制器把這些請(qǐng)求轉(zhuǎn)換為對(duì)DDR內(nèi)存的數(shù)據(jù)讀寫。因此DDR內(nèi)存接口模塊的重點(diǎn)是對(duì)地址產(chǎn)生邏輯的設(shè)計(jì)。我們的內(nèi)存模塊設(shè)計(jì)框圖詳見圖1。

圖1 DDR內(nèi)存接口模塊設(shè)計(jì)框圖

4.內(nèi)存讀寫地址產(chǎn)生邏輯的FPGA設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)
根據(jù)本模塊的功能需求，在出口FIFO的狀態(tài)為忙時(shí)，要將數(shù)據(jù)送往DDR內(nèi)存條緩存，當(dāng)出口FIFO的狀態(tài)為非忙時(shí)，要將數(shù)據(jù)從DDR內(nèi)存條讀出送到出口FIFO。并且設(shè)計(jì)必須充分考慮DDR內(nèi)存條存儲(chǔ)器帶寬的利用效率，設(shè)計(jì)成批量讀寫的模式，減少讀寫切換工作的開銷。出口FIFO的狀態(tài)能由門限信號(hào)th1和th2反映出來(lái)，從而根據(jù)th1和th2反饋控制地址產(chǎn)生邏輯。

此外還要注意數(shù)據(jù)的次序，要保證對(duì)數(shù)據(jù)的公平處理，不能對(duì)數(shù)據(jù)造成系統(tǒng)差別，因此整個(gè)DDR內(nèi)存邏輯上是一個(gè)循環(huán)隊(duì)列。還要保證：DDR內(nèi)存滿時(shí)，不應(yīng)再寫DDR內(nèi)存；DDR內(nèi)存空時(shí)，不應(yīng)再讀DDR內(nèi)存。DDR內(nèi)存的空滿對(duì)地址產(chǎn)生邏輯也有重要影響。

從上面分析中看出：對(duì)地址產(chǎn)生邏輯有影響的信號(hào)是出口FIFO的狀態(tài)指示信號(hào)th1和th2，DDR內(nèi)存的空滿信號(hào)；輸出信號(hào)為對(duì)DDR內(nèi)存的讀請(qǐng)求rd_req和寫請(qǐng)求wr_req，地址addr。規(guī)定：th1＝1表示出口FIFO幾乎空，出口FIFO狀態(tài)為非忙，可以對(duì)DDR內(nèi)存發(fā)出讀請(qǐng)求，直到th2＝1為止；th2＝1表示出口FIFO幾乎滿，出口FIFO狀態(tài)為忙，可以對(duì)DDR內(nèi)存發(fā)出寫請(qǐng)求，直到th1＝1為止。

DDR內(nèi)存的空滿由讀寫地址的比較得出，并且要提前幾個(gè)時(shí)鐘周期置出。非空標(biāo)志由這樣的地址比較得出：rdaddr/= wraddr-2 and rdaddr/= wraddr-1 and rdaddr/=wraddra；非滿標(biāo)志由這樣的地址比較得出：wraddr+2/=rdaddr and wraddr+3/=rdaddr and rdaddr/= wraddr+1。
讀請(qǐng)求rd_req產(chǎn)生條件是： ①DDR內(nèi)存非空，DDR內(nèi)存滿且th2＝0；
②DDR內(nèi)存非空，DDR內(nèi)存非滿且th1＝1至th2＝1。
寫請(qǐng)求wr_req產(chǎn)生條件是：①DDR內(nèi)存非滿，DDR內(nèi)存空；
②DDR內(nèi)存非滿，DDR內(nèi)存非空且th2＝1至th1＝1。
DDR內(nèi)存模塊的地址產(chǎn)生邏輯使用VHDL語(yǔ)言在Quartus II 4.1上實(shí)現(xiàn)，最后編程例化到Altera公司的Stratix GX系列FPGA中物理實(shí)現(xiàn)。具體仿真波形詳見圖2。

圖 2 ＤＤＲ內(nèi)存模塊地址產(chǎn)生程序的信號(hào)仿真波形
仿真說(shuō)明：輸入時(shí)鐘為150M，復(fù)位信號(hào)高有效，ready為DDR控制器準(zhǔn)備好信號(hào)，th1＝1表示出口FIFO幾乎空，在DDR內(nèi)存非空時(shí)，應(yīng)該讀DDR內(nèi)存；th2＝1表示出口FIFO幾乎滿，在DDR內(nèi)存非滿時(shí)，應(yīng)該寫DDR內(nèi)存；輸出數(shù)據(jù)為讀請(qǐng)求信號(hào)rdreq，寫請(qǐng)求信號(hào)wrreq，輸出地址信號(hào)ddraddr（為仿真方便，仿真時(shí)的地址位寬設(shè)定為5bit）。

通過(guò)仿真從Quartus II 4.1的報(bào)告中可以看到如此設(shè)計(jì)的時(shí)鐘可以最高達(dá)到162.92MHz，符合設(shè)計(jì)要求的150MHz。其它功能要求也能滿足。

5.結(jié)束語(yǔ)
本文根據(jù)電子系統(tǒng)對(duì)高速大容量?jī)?nèi)存的需要，使用成熟商業(yè)化DDR控制器IP核來(lái)設(shè)計(jì)獨(dú)立的DDR內(nèi)存接口模塊，不僅能從控制的細(xì)節(jié)中解脫出來(lái)，專注于系統(tǒng)的關(guān)鍵功能設(shè)計(jì)，并且能夠獲得更高的性能，完全滿足我們的功能性能需要。經(jīng)測(cè)試該設(shè)計(jì)性能穩(wěn)定，整個(gè)工作流程簡(jiǎn)單實(shí)用，符合設(shè)計(jì)要求。

參考文獻(xiàn)
1 stratix_GX_datasheet. Altera公司，2003
2 Double Data Rate（DDR）SDRAM Handbook.Micron公司，2004
3邊計(jì)年,薛宏熙.用VHDL設(shè)計(jì)電子線路[M].北京：清華大學(xué)出版社，2000